CN102489564A

CN102489564A - 实现管材空间三维变曲率弯曲的装置及方法

Info

Publication number: CN102489564A
Application number: CN2011103796828A
Authority: CN
Inventors: 苑文婧; 田浩彬; 刘晓航
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2012-06-13

Abstract

一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置，包括：管材、滚轮组、弯曲单元、导向单元、后推杆、固定台架，每个滚轮与连接杆之间用轴承连接，四个滚轮环绕在管材圆周方向，滚轮的轴线两两垂直，呈十字架排列；轴线为纵向的一对滚轮，两个连接杆分别固定在两根平行的横梁上；轴线为横向的一对滚轮，两个连接杆平行并分别与横梁垂直固定；导向单元包括至少三个滚轮组，每个滚轮组的两根横梁与固定台架两侧壁板垂直固定；弯曲单元的两根立柱分别垂直固定在底板上，滚轮组的两根横梁与两根立柱垂直固定，底板底部连接垂直电机11；底板一端连接水平电机10；发明结构简单，成本低；可制备多种空间变曲率弯曲管，低能耗，有效减少起皱破裂等缺陷的发生。

Description

实现管材空间三维变曲率弯曲的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置及方法。

背景技术

弯曲管件在家电、汽车以及航空航天等领域应用日益广泛，行业对弯管质量的要求越来越高。为此，国内外提出了多种改善管材弯曲性能的方法及相应的装置，目前使用比较广泛的方法是滚弯和绕弯工艺。决定滚弯工艺弯曲性能的是滚轮组，早期滚轮组由2个滚轮组成，后来发展到3个、4个滚轮，该工艺在成形大尺寸管件时需要对支撑机构、导向机构、液压缸摆放位置等部分做出相应的调整(专利号：ZL200520096293.4，ZL200920186737.1)。绕弯工艺是目前业内应用最多的弯管方法，通过增加各种形式的芯模或调整运动方式可以改善截面畸变、壁厚减薄严重以及回弹的问题(专利号：ZL200710018988.4，ZL200910309448.0)，目前在小弯曲半径管件的弯曲上应用较多。但是绕弯工艺的局限性在于：弯曲大曲率半径零件时需要的弯曲模半径过大，因此要求零件的曲率半径小于500mm；获得3种不同弯曲半径的绕弯装置结构极其复杂，制造成本昂贵；绕弯工艺中管坯与模具之间的摩擦属于滑动摩擦，很容易产生弯曲缺陷，例如起皱、破裂等问题。如何减小滑动摩擦的影响是当前数控弯曲技术发展迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明公开了一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置及方法，是在简单模具上实现管件的空间三维多曲率半径的连续弯曲，可以有效克服采用滚弯或绕弯方法对大尺寸管件或弯曲不同曲率半径以及大曲率半径零件时带来的装置需要调整、结构复杂、制造成本高等弊端。采用本发明装置及方法，不仅可以实现管件多个弯曲半径的连续弯曲；而且装置结构简单，制造成本低；管材与模具之间的摩擦属于滚动摩擦，推力几乎完全用于实现管材的弯曲，大大降低能耗，并有效减少起皱、破裂等弯曲缺陷的发生。

本发明技术方案是这样实现的：

一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置，包括：管材、滚轮组、弯曲单元、导向单元、后推杆、固定台架、其特征在于：

A)所述的滚轮组由滚轮、连接杆、横梁构成，每个滚轮与连接杆之间用轴承连接，四个滚轮环绕在管材圆周方向，滚轮的轴线两两垂直，呈十字架排列；轴线为纵向的一对滚轮，两个连接杆分别固定在两根平行的横梁上，轴线为横向的一对滚轮，两个连接杆平行并分别与横梁垂直固定；

B)所述的导向单元包括至少三个滚轮组，每个滚轮组的两根横梁与固定台架两侧壁板垂直固定；导向单元起到导向及规整管材圆截面的作用；

C)所述的弯曲单元由一个滚轮组、立柱、水平电机、垂直电机、底板组成；其中：两根立柱分别垂直固定在底板上，滚轮组的两根横梁与两根立柱垂直固定，底板底部连接垂直电机，带动弯曲单元作上下运动；底板一端连接水平电机，带动弯曲单元作水平运动；沿着管材轴线方向在底板前后安装定位机构，保证弯曲单元实现高精度的平面运动；

D)所述的管材依次穿过导向单元的滚轮组和弯曲单元的滚轮组，后推杆与管材末端相连，实现管材的轴向进给。

一种实现管材空间三维变曲率弯曲的方法，其特点是：管材在后推杆的作用下首先经过导向单元，然后进入弯曲单元的滚轮组；

E)制备定半径弯曲管时，管材是在弯曲单元运动到设定位置r_i后开始向前推进；其中r_i的位置是决定弯曲管各曲率半径大小的因素之一，即弯曲管上的曲率半径取决于r_i点在弯曲平面的坐标(坐标原点是弯曲单元上管坯的中心)、弯曲单元与导向单元的水平距离；

F)制备变半径的弯曲管时，管材与弯曲单元沿着r_i移动过程中同步运动；

G)制备平面弯曲管时，弯曲单元沿着r_i移动过程中，单独使用水平电机或垂直电机，进行平面移动；

H)制备空间弯曲管时，弯曲单元沿着r_i移动过程中，需要共同使用水平电机和垂直电机；

I)制备弯曲段与直段相间的弯曲管时，设置弯曲单元完成一个曲率半径的弯曲后回到原位停留一段时间，而管坯在这段时间里面继续向前推进，形成一段直段；

J)制备全弯曲段的弯曲管时，I)步骤中，如果弯曲单元不做停留，继续运动到下一个指定位置，即可得到具有全弯曲段的弯曲管。

将上述实施方法的E)、F)、G)、H)、I)、J)，进行任意组合，达到所需的平面或空间变曲率弯曲管。

目前广泛应用的绕弯工艺最多只能弯曲具有三个弯曲半径的管材，此时模具结构极其复杂，设备费用昂贵。本发明依靠弯曲单元在垂直于管材轴线的工作平面内按照设定好的路径做直线或曲线运动，可以根据需要实现管件的多种不同形式的弯曲，以及实现管材空间三维多个变曲率半径的连续弯曲，与目前广泛应用的绕弯工艺相比本发明装置不仅结构简单，制造成本低；而且管材与模具之间的摩擦属于滚动摩擦，推力几乎完全用于实现管材的弯曲，大大降低能耗，并有效减少起皱、破裂等弯曲缺陷的发生。

附图说明

图1是本发明装置的三维结构示意图；

图2是平面弯曲时弯曲单元的运动轨迹；

图3是空间弯曲时弯曲单元的运动轨迹；

图4是空间连续弯曲时弯曲单元的运动轨迹；

图5是具有平面定半径与直段相间的弯曲管；

图6是具有空间定半径与直段相间的弯曲管；

图7是具有平面变半径与直段相间的弯曲管；

图8具有空间变半径与直段相间的弯曲管；

图9是具有平面定半径、变半径和直段相间的弯曲管；

图10是具有空间定半径、变半径和直段相间的弯曲管；

图11是具有平面连续变半径的弯曲管；

图12是具有空间连续变半径的弯曲管。

1、管材，2、弯曲单元，3、导向单元，4、后推杆，5、固定台架，6、滚轮，7、连接杆，8、横梁，9、立柱，10、水平电机，11、垂直电机，12、底板，13、滚轮组。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明装置及方法加以详细说明。

一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置，如图1所示，包括：管材1、滚轮组13、弯曲单元2、导向单元3、后推杆4、固定台架5。

A)所述的滚轮组13由滚轮6、连接杆7、横梁8构成，每个滚轮6与连接杆7之间用轴承连接，四个滚轮6环绕在管材1圆周方向，滚轮的轴线两两垂直，呈十字架排列；轴线为纵向的一对滚轮，两个连接杆分别固定在两根平行的横梁8上，轴线为横向的一对滚轮，两个连接杆平行并分别与横梁8垂直固定；

B)所述的导向单元3包括至少三个滚轮组13，每个滚轮组的两根横梁8与固定台架5两侧的壁板垂直固定；导向单元3起到导向及规整管材圆截面的作用；

C)所述的弯曲单元2由一个滚轮组、立柱9、水平电机10、垂直电机11、底板12组成；其中：两根立柱分别垂直固定在底板12上，滚轮组13的两根横梁8与两根立柱9垂直固定，底板12底部连接垂直电机11，带动弯曲单元作上下运动；底板一端连接水平电机10，带动弯曲单元作水平运动；沿着管材1轴线方向在底板12前后安装定位机构，以此保证弯曲单元实现高精度的平面运动；

D)所述的后推杆4与管材1末端相连，管材1依次穿过导向单元的滚轮组和弯曲单元的滚轮组，实现管材1的轴向进给。

所述的一种实现管材空间三维变曲率弯曲的方法，见下述实施例。

实施例1

制备平面内多个定半径和直段相间的弯曲管，如图2、图5所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时停止向前运动，随后利用垂直电机11驱动弯曲单元2上的管材中心按照图2的轨迹从o点运动到r₁点后停止，此时后推杆4推动管材1向前运动。当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个定半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材1仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来管材1和弯曲单元2重复上一过程的动作，使弯曲单元2上的管材中心到达r₂点，这样可以实现第二个定半径的弯曲和第二段直管。如果需要得到在平面内具有多个定半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₃、r₄…后，重复上述方法。

实施例2：

制备空间多个定半径和直段相间的弯曲管，如图3、图6所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时停止向前运动，随后利用电机11驱动弯曲单元2上的管材中心按照图3的轨迹从o点运动到r₁点停止，此时后推杆4重新推动管材1向前运动。当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个定半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来管材1和弯曲单元2利用垂直电机11和水平电机10共同作用，使弯曲单元2上的管材中心到达r₂点，这样可以实现第二个定半径的弯曲和第二段直管。如果需要得到空间内具有多个定半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₃、r₄…后，重复上述方法。

实施例3：

制备平面内多个变半径和直段相间的弯曲管，如图2、图7所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时弯曲单元2上的管材中心开始在垂直电机11驱动下按照图2的轨迹从o点运动到r₁点，这一过程中管材1始终向前推进。当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个变半径的弯曲。弯曲单元2回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来管材1和弯曲单元2利用垂直电机11驱动，使弯曲单元2上的管材中心到达r₂点，这样就完成了第二个变半径的弯曲及第二段直管。如果需要得到平面内具有多个变半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₃、r₄…后，重复上述方法。

实施例4：

制备空间内多个变半径和直段相间的弯曲管，如图3、图8所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时，弯曲单元2上的管材中心开始在垂直电机11驱动下按照图3的轨迹从o点运动到r₁点，这一过程中管材1始终向前推进。当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个变半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来管材1和弯曲单元2在水平电机10、垂直电机11共同驱动下重复上述动作顺序，只不过弯曲单元2上的管材中心到达r₂点，这样就完成了第二个变半径的弯曲和第二段直管。如果需要得到空间内具有多个变半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₃、r₄…后，重复上述方法。

实施例5：

制备平面内多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，如图2、图9所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时停止向前运动，随后弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下按照图2的轨迹从o点运动到r₁点停止后，后推杆4重新推动管材1向前运动。当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个定半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从o点运动到r₂点，此时管材1同步向前推进，当第二个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在电机11驱动下开始从r₂点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个变半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，此时管材1同步先前推进，这样得到了第二段直管。接下来弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下从o点运动到r₃点，当第三个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下开始从r₃点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第二个变半径的弯曲。如果需要得到平面内具有多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₄、r₅…后，重复上述相应的成形定半径、变半径的方法。

实施例6：

制备空间多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，如图3、图10所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的第一个位置时，弯曲单元2上的管材中心开始在垂直电机11驱动下按照图3的轨迹从o点运动到r₁点，此时管材1同步向前推进，当第一个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在垂直电机11驱动下开始从r₁点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了第一个变半径的弯曲。弯曲单元2上的管材中心回到o点以后停留一段时间，管材仍然向前运动，这样得到了第一段直管。接下来弯曲单元2和管坯1在水平电机10和垂直电机11共同驱动下，使弯曲单元2上的管材中心到达r₂点，这样就可以得到第二个变半径的弯曲和第二段直管。接下来管材1停止动作，等到弯曲单元2上的管材中心在水平电机10和垂直电机11驱动下从o点运动到r₃点停止后，后推杆4重新推动管材1向前运动。当第三个弯曲半径结束点到达导向单元3最前端时，弯曲单元2上的管材中心在水平电机10、垂直电机11驱动下从r₃点回到o点，这一过程中管材1始终向前运动，这样完成了定半径的弯曲。如果需要得到空间内具有多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，在弯曲单元2运动平面内设置好r₄、r₅…后，重复上述相应的成形定半径、变半径的方法。

实施例7：

制备平面内连续变半径的弯曲管，如图2、图11所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的位置时，弯曲单元2上的管材中心在电机11驱动下按照图2的轨迹及预先设定的速度从o点运动到r₁点，然后返回o点，继续运动到r₂点，然后返回o点，继续运动到r₃点，然后返回o点，这3个往返运动过程中弯曲单元2和管材1都没有停留，保持同步运动。这样就得到了平面内具有连续变半径的弯曲管。

实施例8：

制备空间内具有连续变半径的弯曲管，如图4、图12所示，具体方法如下：管材1在后推杆4的作用下通过导向单元3进入弯曲单元2，当管材1进给到需要弯曲的位置时，弯曲单元2上的管材中心在水平电机10、垂直电机11驱动下按照图4的轨迹及预先设定的速度从o点运动到r₁点，然后运动到r₂点，继续运动到r₃点、r₄点、r₅点、r₆点，整个过程中弯曲单元2和管材1都没有停留，保持同步运动。这样就得到了空间内具有连续变半径的弯曲管。

本发明可以实现定半径、变半径、平面、空间、弯曲段与直段相间、仅有弯曲段等多种形式的弯曲。如果需要成形具有定半径的弯曲管，管材1是在弯曲单元2运动到设定位置后开始向前推进的。如果需要成形变半径的弯曲管，管材1与弯曲单元2是同步运动的。如果需要成形平面弯曲管，单独使用水平电机10或垂直电机11即可。如果需要成形空间弯曲管，需要共同使用水平电机10和垂直电机11。如果需要成形弯曲段与直段相间的弯曲管，设置弯曲单元2完成一个曲率半径的弯曲后回到原位停留一段时间，而管坯在这段时间里面继续向前推进，形成一段直段。如果弯曲单元2不做停留，继续运动到下一个指定位置，那么就可以得到具有全弯曲段的弯曲管。根据实际需要可以将上述实施方式进行多种组合，具有很大的柔性，可以得到如下弯曲管：平面内具有多个定半径和直段相间的弯曲管，空间内具有多个定半径和直段相间的弯曲管，平面内具有多个变半径和直段相间的弯曲管，空间内具有多个变半径和直段相间的弯曲管，平面内具有多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，空间内具有多个定半径、变半径和直段相间的弯曲管，平面内具有连续变半径的弯曲管，空间内具有连续变半径的弯曲管。

Claims

1.一种实现管材空间三维变曲率弯曲的装置，包括：管材、滚轮组、弯曲单元、导向单元、后推杆、固定台架、其特征在于：

2.一种实现管材空间三维变曲率弯曲的方法，其特征在于：管材在后推杆的作用下首先经过导向单元，然后进入弯曲单元的滚轮组；

E)制备定半径弯曲管时，管材是在弯曲单元运动到设定位置r_i后开始向前推进；

G)制备平面弯曲管时，弯曲单沿着r_i移动过程中，单独使用水平电机或垂直电机，进行平面移动；

I)制备弯曲段与直段相间的弯曲管时，设置弯曲单元完成一个曲率半径的弯曲后回到原位停留一段时间，而管坯在这段时间里面继续向前推进，形成一段直管；

3.根据权利要求2所述的一种实现管材空间三维变曲率弯曲的方法，其特征在于：将上述实施方法的E)、F)、G)、H)、I)、J)，进行任意组合，达到所需的平面或空间变曲率弯曲管。